電子發燒友網12月“處理器與DSP特刊”火熱下載中，缺你怎可！
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　　電子發光設備無處不在，能夠投射任意顏色的燈飾也越來越普遍。LED引領著變色燈飾向更高效、更易于獲取及成本更低的方向發展。借助LED，設計人員找到了效率、混色調光功能以及長使用壽命的獨特組合。采用數字信號控制器（DSC）可對LED進行數字控制，這使得燈飾兼有智能和與外界通信的能力。設計人員可以利用這些功能自由發揮，在LED燈飾中實現各種創新和令人興奮的功能。

　　大多數工程師非常熟悉典型的低功耗LED指示燈，無論是表面貼裝還是經典的直插式封裝。使用這些LED指示燈只需一個電壓源和一個阻值適當的串聯電阻，以使LED的電流符合規范——通常小于5 mA。將LED與單片機的GPIO引腳連接，便可實現最常見的應用之一——閃爍的LED。但是，如果將10個正向電流超過350 mA的高亮度、高電流LED串聯在一起，所有這些簡單性便蕩然無存了。

　　圖1：光通量與正向電流成比例關系

　　高亮度LED的首要問題是，如何有效維持高恒定電流，以保持其亮度和顏色。如圖1所示，LED的光通量（LED發出的光量的有效量度）與通過LED的正向電流相關。這表明，要實現一致的顏色和光輸出，需要使通過LED的正向電流（IF）保持恒定。如果考慮單純將一個電阻與LED串聯的情況，正向電流可通過如下公式確定：IF = （VSource-VF）/R。當源電壓（VSource）變化時，正向電流（IF）也將波動，進而導致LED發出的光量發生變化。這清楚地表明，用來驅動LED的電源需要能有效調節LED的正向電流。通常，LED和二極管的一個特性是，正向電壓（VF）會隨著溫度的升高而增大——即使正向電流恒定且經過調節也是如此。如圖2所示，如果當LED的正向電壓發生變化時，倘若不對正向電流進行適當調節，則正向電流也將增大。這再次說明了需要適當調節通過LED的正向電流，而不是正向電壓。

　　圖2：正向電壓的變化對正向電流的影響

　　另一個主要挑戰是發熱。高功耗LED會發熱——非常熱。過熱會大幅縮短LED的使用壽命，還可能導致LED過早出現故障。通過有效控制LED的正向電流，設計人員能夠根據目標正向電流和估計的正向電壓確定散熱需求。還可以使用溫度傳感器來監視可能的過熱情況。除了上述問題，高亮度LED還有其他必須解決的問題。不過，憑借DSC的智能，這些問題可通過基于軟件的控制來解決。

　　LED具有幾乎瞬間更改光輸出的驚人能力。這使得LED非常適合彩色燈飾應用，因為顏色可以快速變化。只需串聯紅色、綠色和藍色的LED或LED串，通過調整每個LED的亮度便可實現彩虹的任意顏色。此時，每個LED的調光成為了設計挑戰。由于LED的正向電流決定了亮度，顯而易見的方法是簡單地增大或減小每個LED的正向電流。但這會產生一個問題，當LED的正向電流變化時，其顏色也會略微變化。這在必須保持顏色準確的應用中是不理想的。因此，我們不直接降低或增大LED的正向電流，而是使正向電流呈脈沖變化，這樣所得到的調光效果與降低正向電流的效果相同。如圖3所示，這種方法的效果很明顯。紅色虛線表示平均電流，會產生可察覺到的亮度變化。但是，通過LED的正向電流保持恒定，因此顏色可保持不變。

　　圖3：脈沖式正向電流會產生可覺察的亮度變化

　　使用數字控制可大大簡化脈沖電流調光。許多DSC具有高級PWM模塊，可生成PWM信號來控制LED的功率級。這些PWM模塊的改寫輸入可快速準確地關斷PWM輸出，從而控制LED的電流并實現調光。使用介于零與某個值（表示最大亮度）之間的數字對調光量進行量化。要將LED設置為50%亮度，計數器將從零開始向255計數，當計數值達到128時，將有一個信號觸發PWM改寫。PWM輸出隨后將關斷，從而有效截斷LED中的電流。當計數器達到最大值255時，會復位為0，同時PWM再次使能。該過程會再次啟動，產生對LED調光所需的脈沖電流，如圖4所示。調光頻率必須足夠快，才能使人眼無法察覺到LED的閃爍。通常，高于400 Hz的頻率可實現這一效果。

　　圖4：使用計數器實現數控調光

　　如前文所述，必須有效控制高亮度LED的正向電流，因此需要使用有效的電源來為LED供電。降壓和升壓開關電源（SMPS）拓撲是兩種常用于LED供電的電源拓撲。這兩種拓撲均可以有效控制LED的電流，而且均能受益于DSC的智能。

圖5：配置為驅動LED或LED串的降壓拓撲

　　降壓拓撲非常適合LED或LED串的正向電壓小于電源電壓的情況。圖5給出了用于控制LED的典型降壓拓撲。如圖所示，PWM控制開關（Q），當開關（Q）導通時，檢測電阻（Rsns）兩端的電壓對應于LED的正向電流。該電阻（Rsns）兩端的電壓將饋入DSC的比較器，該比較器隨后將此電壓與可配置的內部參考電壓進行比較，此內部參考電壓與所需的LED正向電流成比例關系。如果檢測到的電壓大于內部參考電壓，模擬比較器將關斷PWM的開關（Q），這會使電感（L）通過流經二極管（D）和LED的電流來釋放其存儲的電能。當下一個PWM周期開始時，開關（Q）導通，然后再次開始此過程。借助DSC的高級功能，此方法能有效調節通過LED的正向電流，同時不產生任何CPU開銷。

　　圖6：配置為驅動LED或LED串的升壓拓撲

　　顧名思義，升壓拓撲非常適合LED或LED串的正向電壓大于電源電壓的情況。圖6給出了用于控制LED的典型升壓拓撲。與降壓拓撲一樣，PWM控制開關（Q），并且通過檢測電阻（Rsns）監視流經的正向電流。DSC上的ADC模塊對檢測電阻兩端的電壓進行采樣，該電壓對應于LED的正向電流。該值隨后饋入在DSC的軟件中執行的比例積分（PI）控制環。根據ADC讀數以及與所需電流對應的軟件參考值，PI環相應調整開關（Q）的工作周期。此處使用DSC的優勢是PI控制環在軟件中實現，因此可以使用各種其他控制環方法。此外，PI控制環使用的CPU開銷極少，這樣DSC可控制多個LED串，并仍有余量來實現其他功能。

　　說到其他功能，使用DSC來控制燈飾的最令人興奮的原因之一是能夠為系統增加通信功能。DSC具有足夠的處理能力來智能地控制LED燈飾，同時實現用于與外界通信的通信協議。這樣便不需要單獨的通信和控制設備。DMX512是一種常見的照明控制協議。該標準使用單向通信，支持一個主設備和多個從設備，用于向各個燈飾發送命令。DMX512每個數據包發送512字節的數據，并且允許單獨尋址各個設備或節點。DSC的高速處理能力使其能以最高優先級執行快速控制環（如用于升壓轉換器的PI控制器），同時在后臺運行通信協議（如DMX512）。由于通信在軟件中實現，因此燈飾不限于僅一種協議——相反，它可以實現設計人員所需的任何通信方案。

　　與任何新技術一樣，數字LED控制也需要一個學習過程。為了簡化數字控制的學習，許多芯片供應商現已提供數控LED照明工具包和參考設計。其中有許多設計提供免費的源代碼和硬件文檔。由于LED拓撲種類繁多，其中一些甚至還提供可互換的功率級。例如，Microchip的LED照明開發工具包（部件編號DM330014）的子板上含有LED驅動器級，允許使用同一塊電路板試驗多個驅動器級。此外，還有許多開發工具和應用筆記可用，從而簡化數字LED控制的學習。

　　LED的高效率和即時調光屬性使其非常適合于顏色混合應用，因此其普及程度在不斷提高。設計人員需要為燈飾增加更多功能，使其在市場上更具競爭力。智能控制和通信會是未來燈飾設計的兩個關鍵功能。采用DSC的數字控制可將設計人員及其燈飾引領到一個新的層次。

——本文選自電子發燒友網12月《處理器與DSP特刊》“透視新設計欄目”，轉載請注明出處，違者必究！